果蠅基因劑量補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)機(jī)制*

張露丹 王瑞雪 孫 林

（北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

基因劑量補(bǔ)償是指染色體雖有劑量變化，但其基因的表達(dá)量與正常二倍體的表達(dá)量是近似相等的。該現(xiàn)象最早在果蠅白眼等位基因中被發(fā)現(xiàn)，在XY 型性染色體性別決定生物中，X 染色體基因劑量補(bǔ)償已被廣泛研究。在果蠅中，雄性個(gè)體通過2 倍上調(diào)轉(zhuǎn)錄以平衡單條染色體對(duì)轉(zhuǎn)錄豐度的影響。近年來，有關(guān)果蠅基因劑量補(bǔ)償?shù)难芯恳延袠O大進(jìn)展，但其分子機(jī)制一直存在爭(zhēng)議，研究者主要持有2 種觀點(diǎn)：平衡模型和激活模型。

1 平衡模型

平衡模型的主要內(nèi)容是：雄性個(gè)體X 染色體劑量不一致所導(dǎo)致的反式劑量效應(yīng)往往會(huì)使基因組表達(dá)量上調(diào)約2 倍。同時(shí)，MSL 復(fù)合體會(huì)將組蛋白修飾物定位于X 染色體上，以避免常染色體上發(fā)生基因劑量補(bǔ)償，同時(shí)防止X 染色體上的基因過 表達(dá)［1］。

1.1 反式劑量效應(yīng) 在遺傳學(xué)研究過程中，研究者發(fā)現(xiàn)，單個(gè)染色體拷貝數(shù)的改變比整個(gè)染色體倍性變化對(duì)個(gè)體表型的影響更大，并據(jù)此提出了基因平衡假說（gene balance hypothesis），以解釋該現(xiàn)象的分子基礎(chǔ)［2］。果蠅的非整倍體樣本表現(xiàn)出對(duì)于酶活性和蛋白質(zhì)、RNA 水平表達(dá)的調(diào)節(jié)，而不是倍性的平衡變化，這種調(diào)節(jié)通常與不同染色體的劑量呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。由于基因劑量改變而引起的基因表達(dá)量的變化稱為基因劑量效應(yīng)，包括正向劑量效應(yīng)和反式劑量效應(yīng)2 種影響［3］（圖1）?；蚪M內(nèi)的基因劑量補(bǔ)償正是通過這2 種基因劑量效應(yīng)相互作用實(shí)現(xiàn)的。正向劑量效應(yīng)指的是基因表達(dá)量與基因劑量變化呈現(xiàn)正相關(guān)；而反式劑量效應(yīng)指的是基因表達(dá)量與基因（某染色體片段或完整的染色體）劑量變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。反式劑量效應(yīng)通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子和級(jí)聯(lián)效應(yīng)相關(guān)的基因，在非整倍體全基因組內(nèi)產(chǎn)生廣泛影響。這使得拷貝數(shù)變化的染色體基因能通過2 種劑量效應(yīng)維持與正?？截悢?shù)中一致的表達(dá)水平，而其他染色體上的基因表達(dá)水平出現(xiàn)與非整倍體數(shù)量變化相反的變化趨勢(shì)。當(dāng)染色體數(shù)目從二倍體中的2 條增加至三體個(gè)體中的3 條，基因正向劑量效應(yīng)會(huì)隨著染色體劑量的增加變?yōu)?50%，而與此同時(shí)，產(chǎn)生的反式劑量效應(yīng)會(huì)作用于全基因組內(nèi)，并將變化染色體片段上的基因及其他正常染色體基因表達(dá)量均下調(diào)為67%［4］。數(shù)量發(fā)生變化的染色體上的基因同時(shí)受到正向劑量效應(yīng)和反式劑量效應(yīng)共同調(diào)控，最終可維持與正常二倍體一致的表達(dá)水平，即實(shí)現(xiàn)劑量補(bǔ)償現(xiàn)象。但其他染色體的基因表達(dá)量在未發(fā)生正向劑量效應(yīng)的變化的同時(shí)，僅受到反式劑量效應(yīng)的調(diào)控，因此，它們的表達(dá)水平下降至67%（圖1）。

圖1 三體和單體中的劑量補(bǔ)償

1.2 MSL 復(fù)合體 雄性特異性致死（male-specific lethal，MSL）復(fù)合體是富集在雄性果蠅X 染色體周圍的一種蛋白質(zhì)復(fù)合體，其組成成分包括雄性特異性致死蛋白1、2、3 （MSL1、MSL2、MSL3），組蛋白乙?；福∕OF），RNA/DNA 解旋酶（MLE）和磷酸激酶（JIL-1）6 種蛋白質(zhì)亞基及2 種非編碼RNA（roX1 和roX2）［5］。其中MOF 負(fù)責(zé)乙?；M蛋白H4 的16 位的賴氨酸殘基（H4K16Ac），使組蛋白乙?；揎椩谛坌訶 染色體上富集。由于MSL 復(fù)合物可精準(zhǔn)結(jié)合在X 染色體的特定區(qū)域，組蛋白修飾因子MOF 和JIL1 激酶遠(yuǎn)離常染色體，從而消除了在常染色體上可能發(fā)生的反式劑量效應(yīng)［5］。此過程是對(duì)正常雄性中發(fā)生的基因組失衡的一種反應(yīng)，它將確保X 染色體表達(dá)量得到補(bǔ)償，而常染色體不會(huì)過度表達(dá)。但這并不意味著MOF 富集導(dǎo)致的高乙?；鹆藛蝹€(gè)X 染色體的上調(diào)。性別致死基因（sxl）的表達(dá)決定了MSL 的性別相關(guān)性［5］。在雌性中，sxl早期產(chǎn)物對(duì)晚期轉(zhuǎn)錄物進(jìn)行“自我”剪接，繼續(xù)表達(dá)，并發(fā)生級(jí)聯(lián)剪接決定性別分化。SXL 蛋白與MSL2 蛋白的mRNA結(jié)合，并阻斷其在雌性中的表達(dá)。雄性中SXL 蛋白的缺失使得msl2基因得以表達(dá)，而MSL2 蛋白正是復(fù)合體組裝必不可少的組分。

研究者通過敲除雌性果蠅X 染色體上MSL2和SXL 的結(jié)合位點(diǎn)，使MSL 復(fù)合物可組裝并定位到雌性的X 染色體上。結(jié)果表明，MOF 在X 染色體上富集，H4K16Ac 組蛋白修飾水平隨之增加，但X 染色體連鎖的大部分基因表達(dá)量并未顯著增加［5］。相反，許多常染色體基因的表達(dá)量是顯著下調(diào)的。實(shí)際上，MSL 復(fù)合體負(fù)責(zé)進(jìn)行適度的劑量補(bǔ)償，并發(fā)揮一定的抑制作用以防止基因過表達(dá)。其機(jī)制可能是隨著X 染色體上組蛋白修飾物的增加，其染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致染色質(zhì)重塑［1］。異染色質(zhì)蛋白1（HP1）在雄性X 染色體上富集，但其與劑量補(bǔ)償效應(yīng)的相關(guān)性尚待探索［6］。此外，遺傳篩選表明MSL 復(fù)合物并不是限制劑量補(bǔ)償?shù)奈ㄒ灰蛩?，例如，Overcompensating male（ocm）被認(rèn)為是MSL 復(fù)合體的限制因子，其雄性缺失突變體死亡是X 連鎖基因過度表達(dá)的結(jié)果［7］。這表明了ocm在劑量補(bǔ)償中起約束基因過表達(dá)的作用，并且研究者發(fā)現(xiàn)ocm和MSL 復(fù)合物可相互抑制，這進(jìn)一步支持了該假設(shè)，但ocm調(diào)節(jié)MSL 復(fù)合物活性的機(jī)制尚不清楚。

2 激活模型

基于雄性果蠅基因表達(dá)水平上調(diào)至2 倍以補(bǔ)償兩性間基因表達(dá)這一結(jié)果，一些研究者提出了果蠅基因劑量補(bǔ)償?shù)牧硪环N實(shí)現(xiàn)機(jī)制——激活模型。在用于解釋果蠅X 染色體超活化的過程中，MSL 復(fù)合體扮演著關(guān)鍵角色。在激活模型中，MSL復(fù)合體可特異性地結(jié)合于雄性X 染色體上的多個(gè)高親和力位點(diǎn)（也稱為染色質(zhì)進(jìn)入位點(diǎn)CES，chromatin entry site）［8］，攜帶自身的組蛋白修飾子從CES 順式擴(kuò)散到側(cè)翼序列，對(duì)相關(guān)位點(diǎn)的組蛋白進(jìn)行修飾以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，例如，將MOF 蛋白富集至X 染色體，促進(jìn)X 染色體連鎖基因的轉(zhuǎn)錄起始，JIL-1 會(huì)導(dǎo)致組蛋白H3 第10 位絲氨酸殘基磷酸化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雄性X 連鎖基因表達(dá)的2 倍上調(diào)［9］。

2.1 MSL 復(fù)合體介導(dǎo)的劑量補(bǔ)償機(jī)制 MSL 復(fù)合體結(jié)合會(huì)導(dǎo)致H4K16Ac 的增加，從而使染色質(zhì)更加松散。然而，這種調(diào)節(jié)在劑量補(bǔ)償中的作用尚不清楚。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究者對(duì)MSL 復(fù)合體介導(dǎo)的劑量補(bǔ)償機(jī)制存在幾種不同的猜想。

“轉(zhuǎn)錄伸長(zhǎng)模型”認(rèn)為，H4K16Ac 修飾在劑量補(bǔ)償中的潛在作用是減少劑量補(bǔ)償基因轉(zhuǎn)錄過程中的RNA 聚合酶Ⅱ的抗扭強(qiáng)度［10］。但由于缺乏雌、雄之間的比較，很多研究者對(duì)此猜想提出了批評(píng)，這導(dǎo)致了啟動(dòng)子近端RNA 聚合酶Ⅱ富集模型的出現(xiàn)。最初，在雄性X 連鎖基因啟動(dòng)子處的RNA 聚合酶富集約2.2 倍，從而驗(yàn)證了該模型［11］。而之后的研究發(fā)現(xiàn)，分析流程中的計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致X 連鎖基因之間的RNA 聚合酶富集數(shù)據(jù)夸大，這就消除了僅基于啟動(dòng)模型的可能性［12］。在進(jìn)一步使用核苷酸水平的RNA 聚合酶Ⅱ作圖后，研究者提出了“跳躍開始和獲得”模型。H4K16Ac 的發(fā)生提高了釋放RNA 聚合酶Ⅱ的速率并降低了早期轉(zhuǎn)錄終止的風(fēng)險(xiǎn)，使得RNA 聚合酶Ⅱ在基因中過度積累，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的增加［13］。

2.2 激活模型存在的問題 由非整倍體所引發(fā)的基因表達(dá)變化不僅局限于發(fā)生劑量改變的染色體連鎖基因，而是在全基因組具有廣泛性。激活模型雖能解釋兩性間X 染色體中的劑量補(bǔ)償效應(yīng)，但不能解釋X 染色體與常染色體之間的基因表達(dá)失衡現(xiàn)象。研究者檢測(cè)了含有3 條染色體的超雌果蠅的基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)超雌體果蠅中不含有MSL 復(fù)合體，但在X 連鎖基因中同樣發(fā)現(xiàn)了劑量補(bǔ)償現(xiàn)象，且常染色體的基因表達(dá)水平出現(xiàn)了不同程度的下調(diào)［14］。此外，激活模型無法解釋雄性染色體相關(guān)基因的性別二態(tài)性的傾向，對(duì)于雄性果蠅X 連鎖基因如何精確實(shí)現(xiàn)2 倍上調(diào)的機(jī)制，該模型也沒有給出準(zhǔn)確的描述。

3 總結(jié)與展望

隨著基因劑量補(bǔ)償研究的不斷深入，激活模型已無法解釋一些相關(guān)現(xiàn)象，例如，X 染色體三體超雌果蠅中的基因劑量補(bǔ)償及雄性常染色體表達(dá)中的性別二態(tài)性［1］。此外，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室已報(bào)道了幾種不同的非整倍體常染色體劑量補(bǔ)償現(xiàn)象，在一定程度上表明，基因劑量補(bǔ)償現(xiàn)象隨染色體劑量的改變而固有發(fā)生，這與平衡模型中的反式劑量效應(yīng)相符合。因此，平衡模型更能科學(xué)合理地解釋基因劑量補(bǔ)償?shù)姆肿诱{(diào)控機(jī)制。

但平衡模型中仍存在尚未解決的問題，例如，當(dāng)MSL 復(fù)合物被解離時(shí)，X 染色體相關(guān)基因的劑量補(bǔ)償現(xiàn)象是否會(huì)消失。相關(guān)研究表明，基因的劑量補(bǔ)償現(xiàn)象并未消失，但是常染色體上的基因表達(dá)水平呈現(xiàn)上調(diào)［1］。因此，常染色體的基因表達(dá)水平就無法作為標(biāo)準(zhǔn)值檢測(cè)X 染色體基因表達(dá)量，并且常染色體的變化有可能會(huì)改變調(diào)節(jié)機(jī)制的化學(xué)計(jì)量學(xué)［3］，有關(guān)基因劑量補(bǔ)償喪失與否需要重新考量。